Isolamento sismico

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4.2. Dissipatori viscosi

I dissipatori viscosi sono realizzati, in genere, mediante apparecchiature oleodinamiche costituite da un pistone in movimento in un cilindro riempito di un fluido, solitamente un olio siliconico, eventualmente in pressione. Il cilindro è suddiviso dalla testa del pistone in due camere comunicanti attraverso degli orifizi opportunamente progettati per forma, dimensioni e numero. Il fluido subisce una compressione nel passaggio da una camera all’altra, per la presenza del braccio del pistone, manifestando un comportamento non puramente viscoso, ma più propriamente viscoelastico.
Questo determina una riduzione dell’efficienza dissipativa del dispositivo, che può essere evitata mediante l’utilizzo di un apposito sistema, costituito da una camera di accumulo e da una valvola di controllo, in modo da rendere nulla la forza di richiamo del fluido per frequenze inferiori ad un assegnato limite (frequenza di “cut-off”). L’esistenza di questa frequenza limite consente di incrementare la capacità dissipativa, nonché la rigidezza in corrispondenza dei soli modi superiori, il cui contributo viene così ad essere praticamente eliminato. Nella Fig. 4.17 è riportata una rappresentazione schematica di un tale dissipatore. In alternativa è possibile evitare la compressione del fluido impiegando un pistone il cui braccio si sviluppi per tutta la lunghezza del dissipatore. Infine, nel caso di fluido in pressione si sviluppa una forza di precarico che impedisce il
movimento del pistone fino al raggiungimento di un fissato livello dello sforzo applicato; una volta rimosso il carico esterno, il dispositivo tende verso la configurazione corrispondente alla pressione inizialmente imposta al fluido. In questo modo il dispositivo non entra in funzione per azioni di modesta entità e, allo stesso tempo, si ottiene, un effetto di “ricentramento” della struttura in cui è inserito (dissipatori viscosi ricentranti).

http://www.fip-group.it/fip_ind/prodotti/dispositivi_antisismici/images/Dis_Dissipatori_Viscosi_OTP.gif

Fig.
4.17 Schema di dissipatore viscoso oleodinamico

Fig. 4.18
Modello di dissipatore viscoso oleodinamico

Fig. 4.19
Modello di dissipatore viscoso oleodinamico

Per assicurare il perfetto allineamento fra pistone e cilindro, indipendentemente dalle inevitabili imprecisioni di posa, le estremità del dissipatore viscoso sono solitamente dotate di due snodi sferici. Questi dispositivi vengono ancorati alle strutture mediante delle opportune carpenterie.

Fig. 4.20
Applicazione di un dissipatore viscoso

Fig. 4.21
Dissipatori viscosi

Il legame costitutivo forza-velocità di questi dissipatori viscosi è non lineare del tipo:

F = C*va

In cui:

F: forza di reazione

C: costante di smorzamento

v: velocità

Il valore di a (compreso in teoria tra 0 e 2, in pratica variabile tra 0.1 e 1) è funzione della forma e delle dimensioni degli orifizi. Nei dispositivi in commercio viene utilizzato un valore di a prossimo a 0 (ad esempio nei dispositivi viscosi che si trovano in commercio il valore usuale è di circa 0.15 ). In questo modo tali dispositivi reagiscono con una forza pressoché costante in un ampio intervallo di velocità. In Fig. 4.22 viene riportata l’influenza di a sul legame adimensionale F-V.

I cicli forza-spostamento adimensionalizzato per a = 0.15, per a = 1 (dissipatore viscoso lineare) e per a > 1 vengono riportati in Fig. 4.23. Si osserva che a parità di forza massima (F0) e spostamento massimo (S0), i dissipatori viscosi non lineari con a < 1 offrono una maggiore capacità dissipativa rispetto ai dissipatori viscosi lineari (a = 1) e a quelli non lineari con a > 1.

Fig. 4.22
Dissipatore viscoso: influenza del parametro
a
sui legami adimensionali forza-velocità. (F0 e V0 valori massimi di forza e velocità)

Fig. 4.23
Dissipatore viscoso: influenza del parametro
a
sui legami adimensionali forza-spostamento. (F0 e S0 valori massimi di forza e spostamento)

Nella Fig. 4.24 viene riportato il ciclo forza spostamento del dissipatore in esame.

Fig. 4.24
Ciclo F-d di un dissipatore viscoso

Nel caso di dissipatori viscosi ricentranti il legame costitutivo forza -velocità è del tipo:

F = F0 + Kx +Cva

in cui:

F0: eventuale forza di precarica

Kx: reazione elastica del dispositivo allo spostamento x

C: costante di smorzamento

v: velocità

Nei dispositivi in commercio viene utilizzato un valore di a prossimo a 0 (ad esempio nei dispositivi viscosi in commercio a è pari a 0.15) per analoghe considerazioni svolte in precedenza.

In questi dissipatori è dunque presente in parallelo alla componente viscosa, una componente elastica della reazione, che favorisce il ricentraggio dinamico della struttura, ma per contro diminuisce la capacità dissipativa.

La forza di precarica F0, eventualmente presente, impedisce ogni spostamento per forze appilicate inferiori ad F0. Questo risulta utile nel caso in cui si vogliano evitare spostamenti dovuti a carichi orizzontali di servizio (ad es. vento e frenate, nel caso di ponti).

In Fig. 4.25 viene riportato il ciclo forza-spostamento di questa tipologia di dissipatori.

Fig. 4.25
Ciclo F-d di un dissipatore viscoso ricentrante

Dunque i dissipatori viscosi non lineari con valori di a prossimi a zero, a parità di forza massima, consentono di ridurre gli spostamenti delle strutture in cui sono installati ed i costi associati a tali spostamenti (ad esempio i costi dei giunti in ponti e viadotti).

Inoltre grazie all’elevata capacità dissipativa, i dissipatori viscosi non lineari sono spesso da preferirsi anche rispetto ad altre tipologie di dissipatori. In particolare risultano insostituibili quando l’eccitazione dinamica è il vento, e quindi il numero di cicli imposti ai dissipatori è molto elevato. In questi casi possono essere prodotti
dissipatori viscosi caratterizzati da a = 2.

Tra i pregi di questi dispositivi possiamo elencare i seguenti:

  • Manutenzione molto limitata in quanto tutte le parti del circuito idraulico sono interne al dispositivo e quindi sono protette.
  • Adattabilità a qualunque valore di carico/spostamento richiesto dal progettista.
  • Risposta immediata, anche con spostamenti piccoli.
  • Stabilità della risposta con la temperatura (vengono utilizzati nel campo di temperature tra -40 C° e + 50C°)
  • Alto livello di smorzamento.

Le applicazioni più frequenti per questo tipo di dissipatori sono nei ponti e nei viadotti. Una comune applicazione è in serie agli smorzatori elastoplastici. Essi consentono alla struttura le deformazioni lente, dovute a ritiro, fluage e deformazioni termiche nelle condizioni di esercizio, mentre forniscono una rigida connessione in caso di sisma, trasferendo il carico orizzontale allo smorzatore elastoplastico, il quale dissipa energia deformandosi.

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